Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2016. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-02-13T14:20:53Z No. of bitstreams: 1 2016_DanielDouradodeAragãoSantos.pdf: 11726662 bytes, checksum: 466b96f2b7d83ab56c89e06f864925ea (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-03-22T16:49:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_DanielDouradodeAragãoSantos.pdf: 11726662 bytes, checksum: 466b96f2b7d83ab56c89e06f864925ea (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-22T16:49:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_DanielDouradodeAragãoSantos.pdf: 11726662 bytes, checksum: 466b96f2b7d83ab56c89e06f864925ea (MD5) / Nesse trabalho investigamos os efeitos da interação feixe-plasma por meio de um modelo hamiltoniano para um sistema composto de N partículas eletrostaticamente acopladas a uma onda. A discretização do sistema em feixes monocinéticos permite fazer uma abordagem perturbativa do problema e destacar importantes conexões entre as formulações hamiltoniana e vlasoviana. Por meio de resultados numéricos, mostramos que tanto o amortecimento como a amplificação de Landau surgem como consequência de um processo de phasemixing dos vários modos normais do sistema linearizado. Observamos que esse mecanismo possui características distintas dependendo se o sistema é estável ou instável. Os resultados obtidos para sistemas de muitos graus de liberdade foram possíveis graças ao desenvolvimento de uma nova técnica para obtenção de raízes complexas. Implementamos simulações de Vlasov via método semi-lagrangiano e descrevemos o processo de relaxação não colisional da distribuição de velocidades das partículas ressonantes e a evolução da intensidade da onda. Analisamos o espectro dos modos não amortecidos em plasmas livres quando se assume uma distribuição de velocidades estacionária com um pequeno (e suave) plateau nas vizinhanças da velocidade de fase da onda. Verificamos que essas oscilações são bastante sensíveis à forma do plateau principalmente quando possuem velocidades de fase próximas à velocidade térmica das partículas. Investigamos também, por meio do cálculo da função dielétrica, as modificações na relação de dispersão dos modos eletrostáticos em plasmas livres e plasmas magnetizados sujeitos a campo externo de radiação. Os cálculos são feitos com base em um modelo semiclássico, em que elétrons são descritos quanticamente e os campos classicamente. / In this work we discuss the effects of the beam-plasma interaction by means of a hamiltonian model for a system composed of N particles electrostatically coupled to a single wave. The discretization of the system in monokinetic beams allows us to use a perturbative approach of the problem and highlight important connections between the hamiltonian and vlasovian formulations. By means of numerical calculations, we show that both Landau damping and growth emerge due to a phase mixing mechanism that involves many normal modes of the linearized system. We observe that this mechanism exhibits a distinct behavior depending on whether the system is stable or unstable. For systems with many degrees of freedom, the results obtained were possible due to the development of a new root-finding technique in the complex plane. Using vlasovian simulations via semi-Lagrangian scheme we describe the process of collisionless relaxation of the velocity distribution for the resonant particles and the evolution of the wave intensity. We analyse the spectrum of undamped modes in free plasmas when one assumes a stationary velocity distribution with a small (and smooth) plateau centred on the wave phase speed.We find that these oscillations are quite sensitive to the shape of the plateau, mainly for those that have velocities close to the thermal particle velocity. We also investigate, using a semiclassical approach, the modifications in the dispersion relation of the electrostatic modes in free and magnetized plasmas subjected to external radiation field.

Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \\pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos. / Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \\pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarlenePSF_DISSERT.pdf: 1687677 bytes, checksum: 1148ebf1be9615049fa1952b3098a785 (MD5) Previous issue date: 2013-10-18 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The aim of this work is to derive theWard Identity for the low energy effective theory of a fermionic system in the presence of a hyperbolic Fermi surface coupled with a U(1) gauge field in 2+1 dimensions. These identities are important because they establish requirements for the theory to be gauge invariant. We will see that the identity associated Ward Identity (WI) of the model is not preserved at 1-loop order. This feature signalizes the presence of a quantum anomaly. In other words, a classical symmetry is broken dynamically by quantum fluctuations. Furthermore, we are considering that the system is close to a Quantum Phase Transitions and in vicinity of a Quantum Critical Point the fermionic excitations near the Fermi surface, decay through a Landau damping mechanism. All this ingredients need to be take explicitly to account and this leads us to calculate the vertex corrections as well as self energies effects, which in this way lead to one particle propagators which have a non-trivial frequency dependence / Nesse trabalho derivamos e checamos a Identidade de Ward (IW) para uma teoria efetiva de baixas energias de um sistema fermi?nico acoplado a um campo de gauge U(1), em 2+1 dimens?es, na presen?a de uma superf?cie de Fermi parab?lica. As identitades deWard s?o muito importantes pois, estabelecem requisitos para que a teoria efetiva seja invariante de gauge. Veremos que a IW n?o ? preservada em ordem de 1-loop. Isto caracteriza a presen?a de uma an?malia qu?ntica. Assim, uma simetria cl?ssica ? destruida dinamicamente por flutua??es qu?nticas. O nosso sistema f?sico se encontra na vizinhan?a de um Ponto Cr?tico Qu?ntico. Portanto, as excita??es fermi?nicas, que se situam pr?ximo a superf?cie de Fermi, decaem com o tempo, produzindo assim um amortecimento de Landau. Todos esses ingredientes de um regime de forte acoplamento devem ser levados em conta. E em fun??o disso calcularemos as corre??es de v?rtice e os efeitos das auto-energias, que dessa forma fazem com que os propagadores de uma part?cula da teoria dependam da frequ?ncia de uma forma n?o-trivial

Devido à sua importância em turbulência causada por ondas de deriva e à aplicação com propósitos em diagnósticos de plasma, a investigação de fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) tem atraído bastante atenção na literatura em física de plasmas. Nesta tese, primeiramente consideramos efeitos de equilíbrio com rotação poloidal e toroidal nestes modos, posteriormente investigamos efeitos diamagnéticos em GAM a partir de um modelo de dois fluido, no qual incluímos viscosidade paralela de íons e, na parte final, consideramos amortecimento de Landau e efeitos diamagnéticos simultaneamente no estudo de GAM, porém, a partir do modelo girocinético. Efeitos diamagnéticos são causados por termos que envolvem gradientes de densidade e de temperatura provenientes da função Maxwelliana de equilíbrio. O acoplamento entre os harmônicos poloidais, $m = \\pm1$, e as derivadas radiais de quantidades macroscópicas do plasma é responsável pelo aumento no valor da frequência no GAM de alta frequência e pela instabilidade no GAM de baixa frequência. Este tipo de instabilidade, que é proporcional à frequência diamagnética de elétrons e à razão entre os gradientes de temperatura e de densidade, é mais propenso a ocorrer em posições radiais em que o fator segurança é alto. Modos geodésicos são fracamente amortecidos devido a um mecânismo não colisional conhecido por amortecimento de Landau, o qual é causado pela interação entre a onda eletrostática e partículas carregadas, íons no caso, e a taxa de amortecimento é maior próximo ao centro da coluna de plasma, onde o fator de segurança assume valores mais baixos. O equilíbrio MHD com rotação foi investigado em três regimes com relação às superfícies magnéticas: isotérmico, adiabático e isométrico. Foi observado que o gradiente de temperatura possui sentido oposto em relação à velocidade de rotação poloidal apenas no regime isométrico. Ao considerar equilíbrio com rotação e superfícies magnéticas isotérmicas e incluir fluxo de calor na equação da energia, observamos que ZF apresentam frequência não-nula, a qual é proporcional à velocidade de rotação poloidal e inversamente proporcional ao fator de segurança. Como direções futuras ressaltamos que é importante considerar efeitos eletromagnéticos, estudar automodos geodésicos e incluir o efeito de partículas aprisionadas para o desenvolvimento da física de ZF e GAM. Tal desenvolvimento beneficiará tanto a área de transporte em tokamaks como a área de diagnósticos, na qual a obtenção do perfil radial da temperatura de íons e do fator de segurança é um dos objetivos. Nesta área, um novo tipo de diagnóstico conhecido como espectroscopia em modos acústicos geodésicos está sendo desenvolvido baseado no estudo de automodos. / Due to the important role in drift wave turbulence and applications for plasma diagnostic purposes, the investigation of zonal flows (ZF) and associated geodesic acoustic modes (GAM) has arisen much attention in the plasma physics literature. In this thesis, first we consider equilibrium poloidal and toroidal rotation effects on these modes using the ideal MHD model, then we investigate diamagnetic effects on GAM using a two fluid model that includes parallel ion viscosity, and, in the final step, we include both Landau damping and diamagnetic effects on the study of GAM within the framework of the gyrokinetic model. By diamagnetic effects we mean the density and temperature radial gradients terms coming from the equilibrium Maxwellian distribution function. The effects caused by the coupling between the $m = \\pm1$ poloidal harmonics and the radial derivatives of equilibrium macroscopic quantities are responsible for an increase in the frequency value of the high frequency GAM and for an instability in the low frequency GAM. This instability, which is proportional to the electron drift frequency and the ratio between ion temperature and density gradients, are more likely to occur in radial positions where the safety factor is high. We observe that geodesic modes are slowly damped by a collisionlees mechanism known as Landau damping which is caused by the wave particle interaction between the eletrostatic potential and the íons. This damping is enhanced near the center of the plasma column, where the safety factor has lower values. Equilibrium MHD with plasma rotation were investigated in three regimes regarding the magnetic surfaces: isotherm, adiabatic and isometric. It is found that the temperature gradient has opposite directions compared to the poloidal rotation only for the isometric regime. By considering equilibrium rotation with isotherm magnetic surfaces and including heat flux we observed that ZF has a non-zero frequency which is proportional to the poloidal velocity and the inverse of the safety factor. For future directions we point out that electromagnetic effects, geodesic eigenmodes and trapped particles physics should be important for the development of the ZF and GAM physics, either in the area of anomalous transport caused by drift wave turbulence or for diagnostic purposes for obtaining the radial profile of the ion temperature and the safety factor. In this area, a new kind of diagnostic known as geodesic acoustic mode spectroscopy is being developing based on the study of eigenmodes.